(57)【要約】【課題】単位時間あたりの回転数増大によりコンプレッサインペラが傾いたとしても、コンプレッサインペラの背面からの気体の漏洩による圧縮効率の低下を抑制する。【解決手段】遠心圧縮機１は、回転軸５と、回転軸に固定され、回転による遠心力の作用で周囲の気体を昇圧するコンプレッサインペラ６と、コンプレッサインペラが収容されるコンプレッサハウジング４と、コンプレッサインペラの背面に対向配置されるシールプレート２０と、コンプレッサインペラとシールプレートとの両対向面のいずれか一方に設けられ、コンプレッサインペラとシールプレートとの離間距離の変化を抑制するように変位自在に設けられた追従部２０ｇと、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2013221454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸に固定され、回転による遠心力の作用で周囲の気体を昇圧するコンプレッサインペラと、
前記コンプレッサインペラが収容されるコンプレッサハウジングと、
前記コンプレッサインペラの背面に対向配置されるシールプレートと、
前記コンプレッサインペラと前記シールプレートとの両対向面のいずれか一方に設けられ、前記コンプレッサインペラと前記シールプレートとの離間距離の変化を抑制するように変位自在に設けられた追従部と、
を備えることを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項２】
前記追従部は、前記両対向面のいずれか一方の対向面における、前記回転軸を中心とする円周位置から、他方の対向面に沿って、前記回転軸を中心とした径方向外方に延在するフランジであることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記追従部は、前記対向面に受ける圧力と、該対向面の裏の面である裏面に受ける圧力との差に応じて変位することを特徴とする請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記追従部は、温度に応じて曲折するバイメタルで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
前記追従部は、前記対向面における回転軸を中心とする円周上に配され、前記コンプレッサインペラと前記シールプレートとの間に形成される流路を狭める突出部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心力の作用で気体を昇圧させる遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機は、インペラ（羽根車）を回転させ、回転するインペラ内の流路の半径方向に気体を通過させ、主として遠心力の作用で気体を昇圧させるものである。かかる遠心圧縮機は、例えばエンジンに接続する過給機に用いられる。過給機では、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラが回転し、タービン軸を介して、このタービンインペラの回転が遠心圧縮機のコンプレッサインペラに伝達される。このようにしてコンプレッサインペラが回転すると、過給機に設けられた吸気口から気体が吸引されるとともに、当該吸引された気体がディフューザ流路やコンプレッサスクロール流路において昇圧され、エンジンの吸気口に導かれることとなる。
【０００３】
軸を中心に回転駆動するコンプレッサインペラは、固定側のコンプレッサハウジングと接触しないように離間して配置される。しかし、その離間距離を広くとると、例えば、コンプレッサインペラに導かれた気体がコンプレッサインペラの背面側に漏洩（リーク）し、気体の本来の圧縮効率を得られなくなる場合がある。そこで、コンプレッサインペラの背面側には、コンプレッサインペラとの隙間を極力狭めるためのシールプレートが設けられている。
【０００４】
また、コンプレッサインペラの背面とシールプレートとの隙間における流路をつづら折りにして、流れ抵抗を増大させ気体の漏洩を防ぐ、所謂ラビリンス流路が形成された遠心圧縮機が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７３６３７６２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、遠心圧縮機の単位時間あたりの回転数が上がると、その遠心力も増加し、コンプレッサインペラの外周端部がシールプレート側と反対の方向に傾く（反る）ことがある。そうすると、コンプレッサインペラの背面とシールプレートの対向面との隙間が広がり、そこから気体が漏洩して圧縮効率が低減してしまう。
【０００７】
特許文献１に開示されたラビリンス流路を適用すれば、コンプレッサインペラの背面とシールプレートの対向面とのある程度の離間を許容できる。しかし、遠心圧縮機の大きさによっては、コンプレッサインペラの背面とシールプレートの対向面との離間距離が非常に短く、特許文献１に示すようなラビリンス流路を適用するのが困難な場合がある。たとえ、上記のラビリンス流路を適用できたとしても、コンプレッサインペラの傾きによる離間距離がラビリンス流路の突出部の高さより高いと吹き抜けが生じ、ラビリンス流路が用をなさなくなってしまう。
【０００８】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、単位時間あたりの回転数増大によりコンプレッサインペラが傾いたとしても、コンプレッサインペラの背面からの気体の漏洩による圧縮効率の低下を抑制することが可能な遠心圧縮機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の遠心圧縮機は、回転軸と、回転軸に固定され、回転による遠心力の作用で周囲の気体を昇圧するコンプレッサインペラと、コンプレッサインペラが収容されるコンプレッサハウジングと、コンプレッサインペラの背面に対向配置されるシールプレートと、コンプレッサインペラとシールプレートとの両対向面のいずれか一方に設けられ、コンプレッサインペラとシールプレートとの離間距離の変化を抑制するように変位自在に設けられた追従部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
追従部は、両対向面のいずれか一方の対向面における、回転軸を中心とする円周位置から、他方の対向面に沿って、回転軸を中心とした径方向外方に延在するフランジであってもよい。
【００１１】
追従部は、対向面に受ける圧力と、該対向面の裏の面である裏面に受ける圧力との差に応じて変位してもよい。
【００１２】
追従部は、温度に応じて曲折するバイメタルで構成されているとしてもよい。
【００１３】
追従部は、対向面における回転軸を中心とする円周上に配され、コンプレッサインペラとシールプレートとの間に形成される流路を狭める突出部を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、単位時間あたりの回転数増大によりコンプレッサインペラが傾いたとしても、コンプレッサインペラの背面とシールプレートとの離間距離を維持してコンプレッサインペラ背面からの気体の漏洩を防ぎ、圧縮効率の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】過給機の概略断面図である。
【図２】シールプレートを説明する説明図である。
【図３】コンプレッサインペラとシールプレートとの位置関係を示した説明図である。
【図４】図１のＢＢの部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１７】
（遠心圧縮機１）
図１は、遠心圧縮機１の概略断面図である。以下では、Ｆで示す矢印の方向を遠心圧縮機１の前側とし、Ｒで示す矢印の方向を遠心圧縮機１の後側として説明する。図１に示すように、遠心圧縮機１は、ケーシング２と、ケーシング２の後側に締結ボルト３によって連結されるコンプレッサハウジング４とを備えている。遠心圧縮機１は、過給機、ポンプ、送風機、冷却装置等、様々な用途に用いることができる。
【００１８】
ケーシング２の前側には、例えば、遠心圧縮機１の前後方向に軸受孔を有する図示しないベアリングハウジングが設けられ、この軸受孔に回転軸５がベアリングを介して回転自在に支持されている。回転軸５の後端部にはコンプレッサインペラ６が一体的に連結されており、このコンプレッサインペラ６がコンプレッサハウジング４内に回転自在に収容されている。尚、回転軸５の前端部には、例えば、タービンやモータ等の駆動源が連結されている。そして、かかる駆動源の回転力は、回転軸５を通じてコンプレッサインペラ６に伝達される。
【００１９】
コンプレッサハウジング４には、コンプレッサインペラ６に臨み、コンプレッサインペラ６と同心かつ遠心圧縮機１の後側に開口する吸気口７が形成されている。また、締結ボルト３によってケーシング２とコンプレッサハウジング４とが連結された状態では、これら両者２、４の対向面によって、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路８が形成される。このディフューザ流路８は、回転軸５（コンプレッサインペラ６）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ６を介して吸気口７に連通している。
【００２０】
また、コンプレッサハウジング４には、ディフューザ流路８よりも回転軸５（コンプレッサインペラ６）の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路９が設けられている。コンプレッサスクロール流路９は、圧縮された空気を吐出する不図示の吐出口と連通するとともに、ディフューザ流路８にも連通している。したがって、例えば、エンジン（図示せず）からの排気ガスによりタービンが回転され、または、電力によりモータが回転されて、回転軸５を介してコンプレッサインペラ６が回転すると、吸気口７からコンプレッサハウジング４内に気体が吸引されるとともに、当該吸引された気体は、ディフューザ流路８およびコンプレッサスクロール流路９で昇圧されて吐出口に導かれることとなる。
【００２１】
このとき、吸気口７から吸引された気体は、その一部がコンプレッサインペラ６の背面６ａ側（図１の前側）に漏洩することとなるが、その漏洩量を低減すべく、コンプレッサインペラ６の背面６ａ側に、コンプレッサインペラ６との隙間を極力狭めるためのシールプレート２０が設けられている。このシールプレート２０は、ケーシング２におけるコンプレッサハウジング４との対向面のうち、コンプレッサインペラ６の背面６ａに対向する段部２ａに不図示の締結部材を通じて固定されている。ここではシールプレート２０をケーシング２と別体に設けているが両者を一体形成することもできる。
【００２２】
図２は、シールプレート２０を説明する説明図であり、図３は、コンプレッサインペラ６とシールプレート２０との位置関係を示した説明図である。特に、図２（ａ）では平面図を、図２（ｂ）では図２（ａ）のＩＩ（ｂ）−ＩＩ（ｂ）線断面図を、図２（ｃ）では、図２（ｂ）のＡＡの部分拡大図を示す。図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、シールプレート２０は、平面形状が円形に構成されており、その中心に回転軸５が貫通する貫通孔２０ａが形成されている。また、シールプレート２０は、ケーシング２に固定されたときに、コンプレッサインペラ６の背面６ａに対面する対向面２０ｂを備えている。この対向面２０ｂは、コンプレッサインペラ６の背面６ａに沿うように、貫通孔２０ａから径方向外方に向けて滑らかに湾曲する形状をなしている。
【００２３】
また、本実施形態では、コンプレッサインペラ６の背面６ａとシールプレート２０の対向面２０ｂとの隙間における流路に流れ抵抗を生じさせるべく、直通形のラビリンス流路を設けている（「管路・ダクトの流体抵抗」日本機械学会：第９章圧縮性流体および蒸気の流れ参照）。ラビリンス流路は、シールプレート２０の対向面２０ｂにおいて、回転軸５を中心とする円周上に、断面直角三角形で環状の突出部２０ｃ、２０ｄ、２０ｅを配することで形成される。かかるラビリンス流路によって、コンプレッサインペラ６の背面６ａの流路を部分的に狭め、気体の漏洩を防ぐことができる。
【００２４】
また、貫通孔２０ａの内周には、内周面に沿って環状に形成された突出部２０ｆも設けられ、図１に示すように、回転軸５の径方向外方に設けられた対向部２１とでラビリンス流路を形成している。かかる貫通孔２０ａ内周に形成されたラビリンス流路は、上記対向面２０ｂのラビリンス流路の補助的な役割を担う。
【００２５】
このようなラビリンス流路によって気体の漏洩が抑制されるものの、当該遠心圧縮機１が作用している際に、コンプレッサインペラ６の単位時間あたりの回転数が上昇すると、コンプレッサインペラ６自体にかかる遠心力も増加し、図３において実線矢印で示すように、コンプレッサインペラ６の外周端部がシールプレート２０と離間する方向（後側）に、コンプレッサインペラ６の単位時間あたりの回転数の二乗に比例して傾き、コンプレッサインペラ６の外周端部とシールプレート２０との隙間が広がってしまう。
【００２６】
ここで、コンプレッサインペラ６側にも櫛歯状の突起部を形成し、互い違いとなるように配し、コンプレッサインペラ６の背面６ａ側流路をつづら折りにすることで、流れ抵抗を増大することも考えられるが、遠心圧縮機１自体の大きさによっては、コンプレッサインペラ６の背面６ａとシールプレート２０の対向面２０ｂとの離間距離が、例えば、１／１０ｍｍオーダーと短く、そもそもこのように複雑なラビリンス流路を適用するのが困難な場合がある。
【００２７】
また、たとえ、このようなラビリンス流路を適用できたとしても、コンプレッサインペラ６の傾きによる離間距離がラビリンス流路の突出部２０ｃ、２０ｄ、２０ｅの高さより高いと吹き抜けが生じ、本来の気体の圧縮効率が低下してしまう。また、シール性が低下し、ラビリンス流路による減圧効果が低減するのでスラスト方向にも力が生じ、機械損が増大する結果を招く。
【００２８】
そこで、本実施形態では、図２（ａ）から図２（ｃ）に示すように、シールプレート２０に追従部２０ｇを設けている。追従部２０ｇは、対向面２０ｂにおける、回転軸５を中心とする円周位置から、コンプレッサインペラ６の背面６ａに沿って、回転軸５の径方向外方に延在するフランジで形成される。したがって、追従部２０ｇは、シールプレート２０と一体形成され、対向面２０ｂをシールプレート２０と共有する。
【００２９】
図４は、図１のＢＢの部分拡大図である。ここでは、追従部２０ｇの作用について説明する。遠心圧縮機１においては、コンプレッサインペラ６が回転すると、吸気口７から吸引された気体がディフューザ流路８に導かれる。このとき、コンプレッサインペラ６の背面空間（背面６ａとシールプレート２０の対向面２０ｂとの間の空間）の半径ｒの位置における圧力ｐの変化率は、コンプレッサインペラ６の旋回流の流速Ｃｕと回転軸５を中心とした半径ｒと係数ρによって以下の数式１で表される。数式１の左辺は、圧力勾配、即ち、遠心力との釣り合いを示す。
【数１】
2013221454.tif 000003
…（数式１）
したがって、コンプレッサインペラ６の背面空間では、旋回流および遠心力が発生すると、その分、外径圧力より内径圧力が低くなり、外周端部に比較してその内径に向かうほど圧力が低いこととなる。このとき、コンプレッサインペラ６の背面空間が、図４（ａ）において白抜き矢印で示したように広がると、図４（ａ）において実線矢印で示したように、吸気口７から吸引された気体の一部が圧力の低いコンプレッサインペラ６の背面空間内周側に引き込まれ易くなる。
【００３０】
本実施形態では、図４（ａ）に示すように、追従部２０ｇにおける、コンプレッサインペラ６との対向面２０ｂの裏の面である裏面２０ｈ側に形成された空隙２２が、コンプレッサインペラ６の外周端部よりさらに外側に連通されている。したがって、追従部２０ｇの裏面２０ｈ側に形成された空隙２２には、図４（ａ）において破線矢印で示すように、コンプレッサインペラ６の外周端部近傍（ディフューザ流路８）よりさらに外側の高い圧力の気体が流入する。かかる追従部２０ｇの裏面２０ｈに形成された空隙２２には旋回流が生じないので圧力はコンプレッサインペラ６の外周端部近傍と等しく保たれる。
【００３１】
こうして、追従部２０ｇでは、コンプレッサインペラ６との対向面２０ｂと裏面２０ｈとで気圧に差が生じ、図４（ｂ）において白抜き矢印で示すように、追従部２０ｇは、気圧の低い方、すなわち、コンプレッサインペラ６側（後側）に傾くこととなる。上述したように圧力は単位時間あたりの回転数の二乗に比例し、追従部２０ｇの傾きは圧力差に比例するので、単位時間あたりの回転数の二乗に比例して傾くコンプレッサインペラ６の傾きと同調する。
【００３２】
そうすると、単位時間あたりの回転数増大によりコンプレッサインペラ６が傾いたとしても、コンプレッサインペラ６の背面６ａとシールプレート２０の対向面２０ｂとの離間距離が維持されてコンプレッサインペラ６の背面６ａからの気体の漏洩が抑制されるので、圧縮効率の低下を防止することが可能となる。ただし、コンプレッサインペラ６の単位時間あたりの回転数の変動によってもその背面６ａに追従部２０ｇが衝突しないように、追従部２０ｇの剛性や半径方向の長さ、シールプレート２０との接合部位の断面積等を予め調整しておく。
【００３３】
また、ここでは、追従部２０ｇをシールプレート２０と一体的に形成しているが、円盤状の追従部２０ｇを別体に設け、シールプレート２０に接合するとしてもよい。こうすることで追従部２０ｇの裏面２０ｈ側の空隙２２を確保することが容易となる。
【００３４】
（追従部の他の例１）
上述した実施形態では、追従部２０ｇを、その両面における圧力の差によってコンプレッサインペラ６に追従させる例を挙げて説明した。しかし、コンプレッサインペラ６に追従させる手段は、かかる場合に限らず様々な手段を適用することができる。例えば、追従部２０ｇとして、コンプレッサインペラ６の単位時間あたりの回転数に応じてフランジに相当する部位を変位させるアクチュエータを含んでもよい。
【００３５】
アクチュエータは、単位時間あたりの回転数が小さい間、追従部２０ｇの対向面２０ｂをシールプレート２０の対向面２０ｂと面一に維持し、単位時間あたりの回転数が大きくなると、それに伴うコンプレッサインペラ６の背面６ａの浮上に応じて、フランジに相当する部位をコンプレッサインペラ６側に傾ける。このとき、コンプレッサインペラ６の単位時間あたりの回転数と浮上量との関係を予め導出しておくことで、アクチュエータは、その変位が線形か非線形かに拘わらず、コンプレッサインペラ６に高精度に追従することが可能となり、高い圧縮効率を維持することができる。
【００３６】
さらにコンプレッサインペラ６の背面６ａとシールプレート２０の対向面２０ｂとの離間距離を直接または間接的に求める距離センサを適用すれば、その離間距離を所定の値に維持するフィードバック制御が可能となる。かかる構成により、コンプレッサインペラ６の単位時間あたりの回転数と浮上量が経年等何らかの原因により変動した場合であっても、圧縮効率を維持しつつ追従部２０ｇのコンプレッサインペラ６との衝突を回避することが可能となる。
【００３７】
また、距離センサを用いることで、単位時間あたりの回転数に応じて離間すべき距離を設定することが可能となり、追従部２０ｇがコンプレッサインペラ６に衝突した場合の単位時間あたりの回転数の大小による影響を勘案した離間距離となるようにフィードバック制御を行うことができる。
【００３８】
（追従部の他の例２）
また、追従部２０ｇは、熱膨張率の異なる２枚の金属板を貼り合わせ、温度に応じて曲折するバイメタルで構成してもよい。コンプレッサインペラ６の回転によってシールプレート２０に生じる熱はコンプレッサインペラ６とシールプレート２０との単位時間あたりの相対的回転数の二乗に比例して変化する。したがって、このような温度に比例して、コンプレッサインペラ６側にフランジを傾けることで、追従部２０ｇがコンプレッサインペラ６に高精度に追従することが可能となる。
【００３９】
以上、説明したように、単位時間あたりの回転数増大によりコンプレッサインペラ６が傾いたとしても、積極的にコンプレッサインペラ６の背面６ａに追従部２０ｇを追従させることで、コンプレッサインペラ６の背面６ａとシールプレート２０の対向面２０ｂとの離間距離を維持してコンプレッサインペラ６の背面６ａからの気体の漏洩を防ぎ、圧縮効率の低下を抑制することが可能となる。特に、本実施形態は、比速度の小さい（圧力比に対する流量が小さい）遠心圧縮機において、より効果を奏する。
【００４０】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４１】
例えば、上述した実施形態では、シールプレート２０側に追従部２０ｇを形成する例を挙げて説明したが、コンプレッサインペラ６側に追従部２０ｇを形成し、コンプレッサインペラ６の単位時間あたりの回転数に拘わらず、シールプレート２０との離間距離を維持する構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、遠心力の作用で気体を昇圧させる遠心圧縮機に利用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１     …遠心圧縮機
２     …ケーシング
４     …コンプレッサハウジング
５     …回転軸
６     …コンプレッサインペラ
６ａ   …背面
７   …吸気口
８   …ディフューザ流路
９   …コンプレッサスクロール流路
２０   …シールプレート
２０ａ  …貫通孔
２０ｂ  …対向面
２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ  …突出部
２０ｇ  …追従部
２０ｈ  …裏面
【図１】
2013221454.tif 000004
【図２】
2013221454.tif 000005
【図３】
2013221454.tif 000006
【図４】
2013221454.tif 000007